KR101979608B1 - 푸코오스 분리방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SMB 기반 푸코오스 분리방법 및 이를 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SMB 공정을 이용하여 미세조류 유래 단당류 혼합물 또는 다성분계 혼합물(단당류 물질, 아미노산 물질, 글리세롤 성분)로부터 푸코오스를 연속적으로 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 푸코오스는 SMB 공정을 이용하여 미세조류 유래 단당류 또는 다성분계 혼합물로부터 분리된 것으로, 이 방법에 기반을 둔 푸코오스 회수 방식은 고가의 용매 및 시약을 사용하지 않고, 여러 부산물(단당류 또는 아미노산 물질)로부터 푸코오스만을 효율적으로 분리할 수 있으며, 푸코오스 함유 목재의 대량 확보를 위한 원료공급 비용 문제 및 환경 훼손 문제없이 푸코오스를 생산할 수 있다. 또한, SMB 공정에 투입되는 원료물질의 공급원이 미세조류의 활용(지질 추출) 후 발생되는 폐기 잔여물로부터 유래된다는 점에서 원료물질 확보 비용이 최소화되고 미세조류의 바이오디젤 생산 경제성 향상에도 일조하는 효과가 있다. 한편 본 발명의 SMB 공정 실험 결과로부터 푸코오스의 손실(loss)이 전혀 발생하지 않으면서 단당류 혼합물 내 푸코오스를 97% 이상의 고순도로 연속 분리해낼 수 있다는 사실을 확인하였다. 또한 단당류 물질, 아미노산 물질 및 글리세롤 성분의 13종의 물질이 포함된 혼합물을 대상으로 진행된 SMB 공정 실험에서는 푸코오스의 손실을 1% 이내로 최소화시키면서 푸코오스 순도를 99% 이상으로 유지시킬 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 이유로 본 발명의 내용은 푸코오스 생산의 경제성과 산업적 실현 가능성의 획기적 향상에 일조할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

푸코오스 분리방법 및 이를 위한 장치{METHOD FOR SEPARATING FUCOSE AND APPARATUS FOR THE SAME}

본 발명은 미세조류를 대상으로 하는 푸코오스의 연속분리 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

푸코오스(fucose)는 디옥시당(deoxy sugars) 계통에 속하는 희귀 당으로서 최근 들어 피부 노화와 알레르기 방지용 화장품, 항암제, 항알레르기제, 소염제, 장기 기억(long-term memory)능력의 증진과 면역력 증강을 위한 의약품 및 건강기능식품 등의 원료 물질로서 그 산업적 활용가치가 매우 큰 것으로 보고되고 있다(S. Hasegawa et al., J. Invest. Dermatol. 75 (1980) 284-287).

또한, 푸코오스는 모유 내 HMO(human mike oligosaccharide)의 주성분인 fucosyllactose의 인공 합성 전구체(precursor)로서도 활용 가능한 것으로 알려져 있다(F. Baumgartner et al., Microb. Cell Fact. 12 (2013) 40). 이처럼 산업적인 미래 가치가 높은 것으로 알려진 푸코오스의 생산과 관련하여 다음과 같은 세 가지 방법들이 문헌에 보고되고 있다. 첫째, 다량 공급이 가능한 단당류 물질들에 대한 화학적 합성과정(configuration inversion)을 통하여 푸코오스를 획득할 수 있다(H. Kristen et al., J. Carbohyd. Chem. 7 (1988) 277-281; G.D. Gamalevich et al., Tetrahedron 12 (1999) 3665-3674). 둘째, 미생물을 이용한 생물학적 합성 과정을 통하여 푸코오스를 획득할 수 있다(P. Vanhooren et al., J. Chem. Technol. Biotechnol. 74 (1999) 479-497; C. Wong et al., US Patent 6713287 (1995)). 셋째, 자연계에 존재하는 푸코오스 함유 바이오매스로부터 푸코오스를 획득하는 방식이다(P. Saari et al., J. Liq. Chromatogr. Relat. Technol. 32 (2009) 2050-2064; A. Gori et al., EP Patent 2616547 (2011)). 대표적인 경우가 자작나무, 너도밤나무, 버드나무 등에 함유된 헤미셀룰로오스의 가수분해를 통해 푸코오스를 생산하는 방식이다.

위에서 언급한 기존의 푸코오스 생산 방식들은 다음과 같은 문제점들을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 첫째, 화학적 합성 과정을 통하여 푸코오스를 획득하는 방식의 경우 여러 단계의 공정과 고가의 용매 및 시약이 사용되기 때문에 산업적 실현 가능성과 경제성이 낮은 것으로 보고되고 있다. 둘째, 미생물을 이용한 생물학적 합성 방식의 경우 발효 산물인 다당류 물질의 가수분해를 통해 발생되는 여러 부산물(단당류 물질)로부터 푸코오스만을 효율적으로 분리해낼 수 있는 경제적 규모의 공정 개발이 현재까지 확립되어있지 않아 그 실현 가능성이 낮은 편이다. 셋째, 천연 목재 바이오매스를 통해 푸코오스를 획득하는 방식의 경우 푸코오스 함유 목재의 대량 확보 필요성으로 인한 원료 공급비용 문제와 천연 목재 사용으로 인한 환경 훼손 문제, 푸코오스 함유 바이오매스의 가수분해 생성물로부터 푸코오스만을 분리해낼 수 있는 고효율 분리정제 공정의 부재 등으로 인해 경제성이 낮은 것으로 알려져 있다.

기존 푸코오스 생산 방식의 문제점들을 종합해 볼 때, 푸코오스 생산 경제성의 획기적 향상을 실현시키기 위해 우선적으로 해결해야 할 과제는 푸코오스 포함 단당류 물질 또는 바이오매스의 가수분해 생성물로부터 푸코오스만을 고순도 및 고효율로 분리 정제할 수 있는 공정의 개발이라고 할 수 있다. 이와 더불어 푸코오스 원료물질의 공급비용을 최소화하는 아이디어까지 실현될 수 있다면 궁극적으로 푸코오스 생산의 산업화 실현 가능성을 훨씬 더 높일 수 있을 것으로 전망하고 있다. 이와 같은 내용들을 추구하기 위해 본 발명에서는 다음과 같은 가이드라인(guideline)을 설정하였다. 첫째, 경제성과 분리효율이 우수한 연속식 분리모드에 기반을 둔 새로운 형태의 푸코오스 분리 공정을 개발한다. 둘째, 푸코오스 이외의 다른 고부가 바이오제품 생산 공정으로부터 발생되는 폐기 잔여물(residue waste)을 푸코오스 생산의 원료물질로 활용한다. 이와 관련하여 본 발명에서는 미세조류(N. oceanica)의 지질(바이오디젤 원료유) 추출 후 발생되는 폐기 잔여물이 푸코오스 원료 물질 공급원으로 활용될 수 있다는 점을 최근 문헌을 통해 확인하였다(J. Park et al., Bioresour. Technol. 191 (2015) 414-419). 이 폐기 잔여물(defatted microalgal biomass)의 가수분해 후 생성된 단당류 혼합물 내에 푸코오스가 포함되어 있기 때문이다. 상기 푸코오스 이외에 포함된 단당류 성분들은 총 6종으로 rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose가 포함되어 있다.

따라서 본 발명에서는 상기 defatted microalgal biomass 유래 단당류 혼합물로부터 푸코오스만을 고순도 및 고수율로 연속분리해 낼 수 있는 공정의 개발을 목표로 하게 되었으며 이 목표의 달성을 위해 바이오, 제약, 정밀화학 산업 등의 downstream 공정에서 그 가치를 인정받고 있는 simulated moving bed 기술(L.S. Pais et al., AIChE J. 44 (1998) 561-569; A.G. O'Brien et al., Angew. Chem.-Int. Edit. 51 (2012) 7028-7030)을 본 발명의 푸코오스 연속분리 공정 개발에 도입하였다.

Simulated moving bed(SMB) 기술에 대한 간략한 설명을 위해 SMB 공정의 일반적 구조인 4-zone closed loop SMB의 모식도를 도 1에 제시하였다(Z. Ma et al., AIChE J. 43 (1997) 2488-2508). 도 1에 나타낸 바와 같이, SMB 공정은 여러 개의 컬럼들로 구성되어 있으며 각 컬럼 내에 feed mixture 성분들에 대한 선택도(selectivity)를 지닌 흡착제가 충진되어 있다. 이들 컬럼들은 서로 연결되어 있으며 4개의 port(desorbent, extract, feed, raffinate)에 의해 4개의 zone으로 구분된다. 이 4개의 port들은 일정시간 간격(port switching time)마다 용매의 진행 방향을 따라 컬럼 한 개의 길이만큼 이동하게 된다. 이와 같은 상황 하에서 SMB 공정의 flow rate와 port switching time이 최적 조건에 맞추어진다면, feed port는 항상 overlapping region(서로 다른 두 성분들의 solute band들이 겹쳐진 지역)에 놓이게 할 수 있고, extract와 raffinate port들은 항상 separated region(서로 다른 두 성분들의 solute band들이 분리된 지역)에 놓이게 할 수 있다. 이와 같은 상태가 지속적으로 유지될 경우 feed mixture의 연속주입과 각 product의 연속회수가 가능하게 된다. 아울러 SMB 컬럼 내에서 서로 다른 두 성분(fast-migrating component와 slow-migrating component)의 solute band들이 완벽히 분리되지 않고 일부만 분리되는 "partial-separation"의 상황 하에서도 고순도 및 고수율의 product 회수가 가능하게 된다(Y. Xie et al., Ind. Eng. Chem. Res. 42 (2003) 4055-4067). 이러한 원리에 기반을 둔 SMB 분리 방식은 다른 분리방식들에 비하여 높은 생산성과 높은 분리효율을 보장할 수 있게 된다.

이에, 본 발명자들은 고가의 용매 및 시약을 사용하지 않고, 여러 부산물로부터 푸코오스만을 효율적으로 분리할 수 있으며, 푸코오스 함유 목재의 대량 확보를 위한 원료공급 비용 문제 및 환경 훼손 문제없이 푸코오스 생산방법을 개발하기 위하여 예의 노력한 결과, 미세조류 유래 다성분계 혼합물로부터 푸코오스를 연속적으로 분리할 수 있는 SMB 공정을 개발하였으며, 상기 공정을 이용하여 푸코오스의 손실(loss)이 전혀 발생하지 않으면서 97% 이상의 고순도 푸코오스를 연속적으로 분리할 수 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명의 목적은 미세조류 유래 다성분계 혼합물로부터 푸코오스의 손실이 발생하지 않으면서 고순도의 푸코오스를 연속적으로 분리하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 푸코오스를 분리하는 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 탈착제 포트(Desorbent port, DP)로 탈착제가 유입되는 단계; 추출물 포트(Extract port, EP)로 푸코오스(fucose)가 회수되는 단계; 원료물질 포트(Feed port, FP)로 미세조류 유래 다성분계 혼합물이 유입되는 단계; 및 라피네이트 포트(Raffinate port, RP)로 기타 다성분계 물질이 배출되는 단계를 포함하고, 상기 각각의 포트에 연결되어 있는 다수의 컬럼에서 다공성 폴리디비닐벤젠(polydivinylbenzene) 계열의 소수성 흡착제를 이용하여 분리되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리방법을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 탈착제 포트(DP); 추출물 포트(EP); 원료물질 포트(FP); 라피네이트 포트(RP); 상기 포트들(DP, EP, FP, RP)과 각각 선택적으로 연결되는 다수의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40); 및 상기 다수의 로터리 밸브마다 각각 구비된 다수의 컬럼(100, 200, 300, 400)을 포함하는 푸코오스를 분리하기 위한 SMB 기반 푸코오스 분리장치를 제공한다.

본 발명에 따른 푸코오스는 SMB 공정을 이용하여 미세조류 유래 다성분계 혼합물로부터 분리된 것으로, 고가의 용매 및 시약을 사용하지 않고, 여러 부산물로부터 푸코오스만을 효율적으로 분리할 수 있으며, 푸코오스 함유 목재의 대량 확보를 위한 원료공급 비용 문제 및 환경 훼손 문제없이 푸코오스를 생산할 수 있다. 또한, SMB 공정에 투입되는 원료물질의 공급원이 미세조류의 활용(지질 추출) 후 발생되는 폐기 잔여물로부터 유래된다는 점에서 원료물질 확보 비용이 최소화되고 미세조류의 바이오디젤 생산 경제성 향상에도 일조하는 효과가 있으며, 본 발명의 SMB 공정을 이용하여 푸코오스의 손실(loss)이 전혀 발생하지 않으면서 97% 이상의 고순도 푸코오스를 연속적으로 분리할 수 있고, 따라서 푸코오스 생산의 경제성과 산업적 실현 가능성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 SMB 공정의 일반적인 형태인 4-zone closed loop SMB 공정 구조의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SMB 실험 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제 후보군들에 대한 펄스주입 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최종 선정된 흡착제(100Å의 기공크기를 갖는 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제)에 대한 추적자 분자 펄스주입 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸코오스를 포함하는 각 단당류 성분들에 대한 다중전단분석 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸코오스를 포함한 각 단당류 성분의 선정된 흡착제상에서의 equilibrium capacity(q*) 데이터를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단당류 혼합물을 feed로 주입하는 mixture frontal 실험 데이터와 해당 시뮬레이션 프로파일과의 비교 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸코오스 분리 SMB 공정의 최적설계에 적합한 두 가지 구조 형태를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 푸코오스 분리 SMB 공정의 주기적 정상상태 컬럼 프로파일에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸코오스 분리 SMB 공정을 이용한 연속분리 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸코오스 분리 SMB 공정 실험의 feed 샘플과 최종 step에서 채취된 각 outlet port 샘플들에 대한 HPLC analysis chromatogram을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분계 혼합물(단당류+아미노산+글리세롤) 대상 푸코오스 분리 SMB 공정의 추가 설계에 적합한 공정 구조 및 분리 순서(Ring I SMB → Ring II SMB)를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분계 혼합물(단당류+아미노산+글리세롤) 대상 푸코오스 분리 SMB 공정 중 Ring I SMB unit에 대한 연속분리 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 다성분계 혼합물(단당류+아미노산+글리세롤) 대상 푸코오스 분리 SMB 공정 중 Ring II SMB unit에 대한 연속분리 실험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체적인 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본 발명에서는 SMB 공정을 이용하여 미세조류 유래 혼합물로부터 푸코오스를 연속분리하게 되며, 이 방법에 기반을 둔 푸코오스 회수 방식은 고가의 용매 및 시약을 사용하지 않고, 여러 부산물로부터 푸코오스만을 효율적으로 분리할 수 있으며, 푸코오스 함유 목재의 대량 확보를 위한 원료공급 비용 문제 및 환경 훼손 문제없이 푸코오스를 생산할 수 있다. 또한, SMB 공정에 투입되는 원료물질의 공급원이 미세조류의 활용(지질 추출) 후 발생되는 폐기 잔여물로부터 유래된다는 점에서 원료물질 확보 비용이 최소화되고 미세조류의 바이오디젤 생산 경제성 향상에도 일조하는 효과가 있다, 더 나아가 본 발명의 SMB 공정을 이용하여 푸코오스의 손실(loss)이 전혀 발생하지 않으면서 97% 이상의 고순도 푸코오스를 연속적으로 분리할 수 있기 때문에, 본 발명의 결과는 푸코오스 생산의 경제성과 산업적 실현 가능성의 획기적 향상에 기여할 수 있다.

따라서, 본 발명은 일 관점에서 상기 목적을 달성하기 위하여, 탈착제 포트(Desorbent port, DP)로 탈착제가 유입되는 단계; 추출물 포트(Extract port, EP)로 푸코오스(fucose)가 회수되는 단계; 원료물질 포트(Feed port, FP)로 미세조류 유래 다성분계 혼합물이 유입되는 단계; 및 라피네이트 포트(Raffinate port, RP)로 기타 다성분계 물질이 배출되는 단계를 포함하고, 상기 각각의 포트에 연결되어 있는 다수의 컬럼에서 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제를 이용하여 분리되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 다른 관점에서 상기 방법으로 탈착제 포트(DP); 추출물 포트(EP); 원료물질 포트(FP); 라피네이트 포트(RP); 상기 포트들(DP, EP, FP, RP)과 각각 선택적으로 연결되는 다수의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40); 및 상기 다수의 로터리 밸브마다 각각 구비된 다수의 컬럼(100, 200, 300, 400)을 포함하는 푸코오스를 분리하기 위한 SMB 기반 푸코오스 분리장치에 관한 것이다.

본 발명에 있어서, 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제는 기공의 크기가 50 A 내지 900 A 인 것이 바람직하고, 50 A 내지 500 A인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 있어서, 탈착제 포트(Desorbent port, DP)로 유입되는 탈착제는 물, buffer, 산 용액, 또는 염기성 용액인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 추출물 포트(EP)로 회수된 푸코오스의 순도는 90%이상인 것이 바람직하고, 95% 내지 99.999%인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 분리장치는 도 2a 내지 2d에 도시되는 바와 같이, 탈착제 포트(Desorbent port, DP), 추출물 포트(Extract port, EP), 원료물질 포트(Feed port, FP), 라피네이트 포트(Raffinate port, RP), 4개의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40), 상기 로터리 밸브와 연결되는 4개의 컬럼(100, 200, 300, 400)을 포함한다.

4개의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)는 각각 4개의 연결 포트(10a, 10b, 10c, 10d)(20a, 20b, 20c, 20d)(30a, 30b, 30c, 30d)(40a, 40b, 40c, 40d)를 구비하는데, 로터리 밸브의 회전에 따라 각각의 로터리 밸브의 어느 하나의 연결 포트만이 개방됨으로써 탈착제 포트(DP), 추출물 포트(EP), 원료물질 포트(FP), 라피네이트 포트(RP)와 유체 소통된다.

달리 표현하면, 탈착제 포트(DP), 추출물 포트(EP), 원료물질 포트(FP), 라피네이트 포트(RP)에 연결되는 유로는 각각 4개의 분기점을 가지고, 이에 따라 4개의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)와 모두 연결되어 있으며, 이후 어느 하나의 연결 포트가 개방됨에 따라 특정 로터리 밸브에 연결된다.

본 발명의 도 2a는 제1단계 포트 위치, 도 2b는 제2단계 포트 위치, 도 2c는 제3단계 포트 위치, 도 2d는 제4단계 포트 위치를 도시한 것으로, 제1~4단계 포트 위치들은 연속적으로 순환된다. 즉, 본 발명에 따른 장치는 제1단계 포트 위치→제2단계 포트 위치→제3단계 포트 위치→제4단계 포트 위치의 순서로 작동한 다음 다시 제1단계 포트 위치로 회귀하는 방식이다.

특정 포트 위치로의 설정은 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)의 회전에 의해 이루어진다. 즉, 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)의 제1연결 포트(10a, 20a, 30a)가 개방됨으로써 제1단계 포트 위치가 설정되고, 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)가 회전함으로써 제2연결 포트(20b, 30b, 40b)가 개방되어 제2단계 포트 위치가 설정되며, 다시 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)가 회전함으로써 제3연결 포트(30c, 40c, 10c)가 개방되어 제3단계 포트 위치가 설정되고, 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)가 다시 회전함으로써 제4연결 포트(40d, 10d, 20d)가 개방되어 제4단계 포트 위치가 설정된다. 이후 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)가 다시 회전하면 제1단계 포트 위치로 설정된다.

도 2a에 도시되는 제1단계 포트 위치에서는 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)의 제1연결 포트(10a, 20a, 30a)만 개방되고 제2연결 포트(20b, 30b, 40b), 제3연결 포트(30c, 40c, 10c) 및 제4연결 포트(40d, 10d, 20d)는 폐쇄된다.

제1단계 포트 위치에서, 탈착제 포트(DP)는 제1로터리 밸브(10)와 연결되고, 추출물 포트(EP)는 제2로터리 밸브(20)와 연결되고, 원료물질 포트(FP)는 제3로터리 밸브(30)와 연결되고, 라피네이트 포트(RP)는 제1로터리 밸브(10)와 연결된다.

이에 따라, 탈착제 포트(DP)로부터 유입되는 탈착제는 제1로터리 밸브(10) 및 제1컬럼(100)을 통과한 후 제2로터리 밸브(20)로 유입된다.

원료물질 포트(FP)로부터 유입되는 미세조류 유래 다성분계 혼합물은 상기 제2로터리 밸브(20)로 유입되어 제2컬럼(200)을 통과한 탈착제와 함께 제3로터리 밸브(30)로 유입되어 제3컬럼(300)을 통과한다.

본 발명에서 미세조류 유래 다성분계 혼합물은 푸코오스(fucose)를 포함하고, 람노오스(rhamnose), 리보오스(ribose), 글루코오스(glucose), 자일로오스(xylose), 만노오스(mannose) 및 갈락토오스(galactose)와 같은 단당류 성분을 포함한다. 또한, 본 발명의 미세조류 유래 다성분계 혼합물은 알라닌(alanine), 글리신(glycine), 프롤린(proline), 이소류신(isoleucine) 및 류신(leucine)과 같은 아미노산 성분 및 글리세롤 성분을 더 포함할 수 있다. 본 발명에 있어서, 기타 다성분계 물질은 상기 미세조류 유래 다성분계 혼합물에서 푸코오스를 제외한 물질들을 의미한다.

제3컬럼(300)을 통과한 후 푸코오스와 기타 다성분계 성분들의 진행 속도 차이로 인하여 분리대상 혼합물의 분리 작용이 이루어진다. 푸코오스는 흡착력이 강해 느리게 이동하는 slowing-migrating component에 해당되며 기타 다성분계 성분들은 흡착력이 약해 빠르게 이동하는 fast-migrating component에 해당된다. 제 1단계 포트 위치가 유지되는 동안 푸코오스 성분은 제4로터리 밸브(40)를 통해 제4컬럼(400)까지 이동할 수 있지만 제4컬럼을 벗어나지 않는다.

반면, 제4로터리 밸브(40)로 유입된 기타 다성분계 물질은 제4컬럼(400)을 통과한 다음, 제1로터리 밸브(10)로 유입되어 라피네이트 포트(RP)를 통하여 유출된다.

소정의 시간(즉, 로터리 밸브의 회전 시간 간격)이 지날때마다 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)가 회전하여 제2단계 포트 위치(도 2b), 제3단계 포트 위치(도 2c), 제4단계 포트 위치(도 2d) 순서로 변경된다. 이와 같은 포트 위치의 순차적(sequential) 변경이 발생하는 동안 slow-migrating component에 해당되는 푸코오스는 포트 이동 방향과 반대방향으로 시프트(shift)되어 결국 추출물 포트(EP) 근처 컬럼까지 이동하게 되며 이후 용매의 흐름을 따라 추출물 포트(EP)를 통하여 유출된다. 상기 언급한 소정의 시간에 대한 기준은 아래에서 후술한다.

본 발명에서는 미세조류(N. oceanica)의 활용(바이오디젤 원료유 추출) 후 생성되는 총 7종의 단당류 성분들(fucose, rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose) 중 고부가 희귀 당에 속하는 푸코오스만을 고순도 및 고수율로 연속분리해낼 수 있는 SMB 공정을 개발하였다. 개발 시간과 비용을 절감하고 추후 산업적 규모(industrial scale)로 확장될 시 필수적으로 요구되는 process scale-up과 overall cost optimization의 정확성과 수월성을 보장하기 위해, 본 발명의 푸코오스 분리 맞춤형 SMB 공정 개발 과정은 model-based design approach 방식(컬럼모델식과 파라미터를 활용하는 접근 방식)에 따라 진행하였다. 먼저, 상기 언급한 단당류 혼합물 성분들 중 푸코오스와 그 이외의 성분들 간의 분리선택도가 우수하고 내구성이 검증된 흡착제를 탐색하였다. 그 결과 100Å의 기공크기를 갖는 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제가 앞서 언급한 조건들을 모두 만족한다는 점을 확인하게 되어 이 resin을 본 발명에서 개발하고자 하는 푸코오스 분리 SMB 공정의 흡착제로 선정하였다. 선정된 흡착제를 바탕으로 다중전단분석 실험을 실시하였고 그 실험 데이터로부터 푸코오스를 포함한 각 단당류 성분들의 intrinsic parameter(흡착계수, size-exclusion factor, 물질전달계수)를 결정하였다. 결정된 각 성분들의 파라미터 값들과 최신 유전자 알고리즘을 이용하여 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 최적 설계를 다음과 같은 절차에 따라 수행하였다. 우선 푸코오스 순도 및 수율의 향상, 푸코오스 생산 농도의 향상, 장치 및 관리 비용의 절감, operational robustness의 향상 등에 모두 유리한 SMB 공정 구조를 조사하였다. 그 결과 1-1-2 column configuration과 desorbent→extract→feed→raffinate 순서의 port configuration을 바탕으로 한 3-zone open loop 형태의 구조가 앞서 언급한 네 가지 조건들을 모두 만족하는 SMB 구조임을 확인하게 되어 이 구조를 선택하였다. 선택된 구조 하에서 푸코오스 product의 고순도와 고수율을 보장하면서 푸코오스의 생산성(throughput)을 극대화시킬 수 있는 최적 운전조건(optimal operating conditions)을 결정하였다. 이와 같은 절차에 따라 결정된 최적 구조 및 최적 운전조건 하에서 푸코오스 분리 맞춤형 SMB 공정에 대한 이론적 검증을 수행하였다. 이 검증은 컬럼 프로파일에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 이용하여 진행되었으며, 조사 결과 모든 solute band들이 분리 목표 달성에 부합하는 방향으로 거동하였음을 확인하였다. 이론적인 검증을 통과한 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 실험적 검증을 위하여 상기 언급한 단당류 혼합물의 모델용액(model solution)으로부터 푸코오스만을 연속 분리해내는 SMB 실험을 수행하였다. 실험 결과 푸코오스 product가 97% 이상의 고순도로 연속분리되었고 이 과정에서 푸코오스의 손실(loss)은 전혀 발생하지 않았다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

접근 방법

1) Model-based design approach

새로운 시스템에 대한 연속분리 공정 개발 단계에서 다음의 두 가지 사항이 최우선적으로 고려된다. 첫째, 개발 기간과 소요되는 비용이 최소화 되어야 한다. 둘째, 개발되는 공정의 생산성과 분리효율을 높은 수준으로 유지시킬 수 있는 최적의 공정 운용조건을 결정할 수 있어야 한다. 이 두 가지 사항을 모두 충족시키기 위해서는 컬럼모델(column model)에 기초한 흡착 및 물질전달 현상을 정확하게 파악하고 있어야 하고 아울러 관련된 여러 파라미터 값들을 확보하고 있어야 한다. 이와 같은 컬럼모델 및 파라미터에 기초한 공정 설계의 접근방법을 model-based design approach라고 한다(D.J. Wu et al., Ind. Eng. Chem. Res. 37 (1998) 4023-4035; P.H. Kim et al., J. Chromatogr. A 1406 (2015) 231-243). 본 발명 또한 이 접근 방법에 따라 푸코오스의 연속적 분리를 수행하는 SMB 공정을 개발하였다.

2) 컬럼모델 시뮬레이션(Column-model simulation)

Model-based design approach의 핵심 단계들 중 하나는 수학적 모델식을 이용한 공정 시뮬레이션 단계이다. 이 단계에서 활용되는 수학적 모델식은 컬럼 내 각 solute 분자의 흡착 및 물질전달 현상들을 상세히 예측해 줄 수 있는 이동현상 방정식(transport phenomena equations)으로서 이를 흔히 "컬럼모델식"이라 부른다(L.S. Pais et al., AIChE J. 44 (1998) 561-569; P.H. Kim et al., J. Chromatogr. A 1406 (2015) 231-243). 이 컬럼모델식에 대한 해(solutions)를 수치해석적 방법으로 산출하는 과정이 바로 시뮬레이션이며, 산출 과정에서 방대한 양의 계산이 요구되기 때문에 흔히 컴퓨터를 이용하여 수행하게 된다.

시뮬레이션에 사용되는 컬럼모델식에는 여러 종류가 있으며 그 중에서 lumped mass-transfer model을 본 발명의 시뮬레이션 모델로 채택하였다(Z. Ma et al., AIChE J. 43 (1997) 2488-2508; D.J. Wu et al., Ind. Eng. Chem. Res. 37 (1998) 4023-4035; P.H. Kim et al., J. Chromatogr. A 1406 (2015) 231-243). 그 이유는 이 모델이 다른 모델들에 비해 정확성과 효율성이 우수한 것으로 평가받고 있기 때문이다. 채택된 lumped mass-transfer model은 다음과 같은 식으로 구성되어 있다.

위의 식에서 아래 첨자 i는 solute를 나타내며, C_b,i와 C_i ^*는 각각 inter-particle void(or mobile phase)와 intra-particle void(or pore phase)내에서의 solute 액상 농도, qi는 pore phase 내 액상 농도와 평형 관계인 흡착제상(adsorbent phase)에서의 농도를 일컫는다. 평형 관계에 있는 액상 농도와 흡착제상의 농도가 선형흡착 관계(linear isotherm relationship)를 따르는 경우 다음과 같은 선형흡착모델식(linear isotherm model)로 표현할 수 있다. 아래의 식에서 Hi는 solute i의 선형흡착계수(linear isotherm parameter)를 일컫는다.

한편 위의 컬럼모델식 내 K_f,i는 lumped mass-transfer coefficient이며 다음과 같은 방법으로 그 값을 계산할 수 있다.

위의 식에서 d_p는 흡착제의 지름을 나타내며, D_p와 k_f는 각각 intra-particle diffusivity와 film mass-transfer coefficient를 의미한다.

상기 설명한 lumped mass-transfer model 기반 시뮬레이션은 Aspen Chromatography simulator에 의해 수행되며, 앞 절에서 언급한 7종의 단당류 성분들에 대한 intrinsic parameter의 측정 및 검증과 SMB 공정의 분리 효율 검증 등에 활용된다. 더 나아가 이 모델식은 SMB 최적화 전산 도구의 제작에 있어서도 중요한 역할을 수행하게 된다. 이 부분과 관련된 구체적인 내용은 아래에서 언급될 것이다.

3) SMB 최적화 도구 제작

Model-based design approach에서 컴퓨터 시뮬레이션에 이어 또 하나의 핵심적인 역할을 하는 것은 SMB 최적화 전산 도구이다. 이 도구는 개발될 SMB 공정의 목표에 부합하는 최적 운전 조건(optimal operating conditions)을 결정하는 용도로 활용된다. 이 최적화 도구의 제작을 위해 우선적으로 필요한 것이 최적화 알고리즘(optimization algorithm)이다. 현재까지 SMB와 같은 multi-column counter-current mode 공정의 최적화에 있어서는 stochastic theory에 입각한 유전자 알고리즘이 가장 효율적인 것으로 알려져 있다(R.B. Kasat et al., Comput. Chem. Eng. 27 (2003) 1785-1800; S. Mun et al., J. Chromatogr. A 1230 (2012) 100-109).

본 발명에서도 푸코오스 분리 SMB 공정의 최적화를 위해 유전자 알고리즘에 기반을 둔 SMB 최적화 전산 프로그램을 제작하였다. 유전자 알고리즘 자체도 그 동안 여러 차례의 발전을 거듭해 왔는데 본 발명의 최적화 도구 제작 단계에서는 가장 최신의 유전자 알고리즘이라 할 수 있는 NSGA-II-JG(R.B. Kasat et al., Comput. Chem. Eng. 27 (2003) 1785-1800; S. Mun et al., J. Chromatogr. A 1230 (2012) 100-109)를 기본 알고리즘으로 채택하였다.

SMB 최적화 도구의 제작 방법은 Excel 소프트웨어 내에 설치된 VBA(visual basic application) 프로그래밍 언어를 이용하여 최적화 알고리즘을 코딩(coding)하였으며, 이를 통해 NSGA-II-JG 알고리즘의 실행과 컬럼모델식 시뮬레이션의 수행이 동시에 이루어지도록 하였다.

실험 준비

1) 재료(Materials)

Feed 혼합물을 구성하는 7종의 단당류 성분들은 Sigma-Aldrich Co.에서 구입하였다. 실험에 사용된 물(water)은 모두 3차 증류수(Distilled Deionized Water, DDW)로 Millipore(Bedford, MA)에서 구입한 Milli-Q system으로부터 얻어 실험의 모든 부분에서 사용하였다. HPLC 농도 분석 시 mobile phase의 주요 성분으로 사용된 황산은 Yakuri Pure Chemicals Ltd.(Kyoto, Japan)에서 구입하였다. 푸코오스 발명의 흡착제로 최종 선정된 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 resin(기공크기=100Å)은 Purolite Co.(Philadelphia, PA)로부터 구입하였다. 이 흡착제의 평균 입자크기는 75μm이다.

위의 흡착제를 Bio-Chem Fluidics Co.(Boonton, NJ, US)에서 구입한 두 종류의 다른 크기를 갖는 컬럼에 충진하여 사용하였다. 각 컬럼의 크기는 1.5×21.7cm와 2.5×21.7cm이었다. 이들 중 작은 크기의 컬럼은 흡착제의 선정단계에서 각 후보군을 테스트할 때 사용되었으며, 큰 크기의 컬럼은 최종 선정된 흡착제에 대한 각 단당류 성분의 intrinsic parameter 결정 실험과 푸코오스의 연속분리를 위한 SMB 실험에 사용되었다.

2) 장치(Instrumentation)

- 펄스주입 및 다중전단분석 실험장치

펄스주입(pulse injection) 및 다중전단분석(multiple frontal analysis) 실험에 Young-Lin Instrument 기업에서 구매한 Young-Lin HPLC 시스템을 사용하였다. 이 시스템은 Young-Lin SP930D 펌프, Young-Lin RI 750F detector, Autochro-3000 소프트웨어로 구성되어 있다. Young-Lin SP930D 펌프는 용매의 원활한 이송을 담당하며 Young-Lin RI 750F detector는 컬럼 유출물 내 각 성분 농도의 실시간 monitoring을 담당한다. Autochro-3000 소프트웨어는 펌프와 detector의 제어 및 데이터 수집을 담당한다.

- SMB 공정 장치

본 발명의 푸코오스 분리 SMB 공정실험 장치는 자체 조립 및 제작하였으며 도 2에 나타낸 바와 같이 3-zone open-loop 방식에 기반을 두고 있고 1-1-2의 column configuration과 desorbent→extract→feed→raffinate 방식의 port configuration을 갖는다. 이와 같은 구조를 선택한 이유는 다음 절의 발명결과 영역에서 상세히 소개될 예정이다. 제작된 SMB 장치는 4개의 로터리 밸브(rotary valve), 4개의 컬럼, 3대의 펌프로 구성되어 있다. SMB 장치에 사용된 로터리 밸브는 Valco Instrument Co.(Houston, TX)에서 구입한 Select-Trapping(ST) 밸브이며 이 밸브는 각 컬럼과 각 port를 연결하여 연속분리가 가능한 흐름 구조를 유지하도록 하는 기능을 가진다. 로터리 밸브의 제어는 Labview 8.0 소프트웨어를 이용하여 수행하였다. 도 2는 각 step별 port와 컬럼 간의 연결이 표시되어 있으며, 총 4개의 컬럼으로 구성되어 있기 때문에 4번의 step 변경이 실행될 동안의 port-컬럼 간 연결 모드는 계속 바뀌게 되고 step 변경이 4번 실행된 이후의 port-컬럼 연결 모드는 다시 원래 모드로 복귀하게 된다. 이와 같은 port-컬럼 간 연결 모드의 변경은 SMB 실험 종료 시까지 지속된다. 도 2a 내지 2d는 각각 (a) Nth step, (b) (N+1)th step, (c) (N+2)th step, (d)　(N+３)th step 에서의 port-컬럼 간 연결 모드를 나타낸 것이다.

SMB 장치의 feed와 desorbent port로 주입되는 stream은 Young-Lin Instrument 기업에서 구입한 Young-Lin SP 930D 펌프를 이용하여 유량제어를 하였고 extract port로 배출되는 stream은 Fluid Metering Inc.(Syosset, NY)에서 구입한 Model QV 펌프를 사용하여 유량제어를 하였다. 한편 raffinate port로 배출되는 stream의 flow rate는 별도의 펌프 없이 mass balance에 의해 그 flow rate가 결정되도록 하였다.

- HPLC 농도분석 장치

단당류 mixture frontal 실험과 푸코오스 연속분리를 위한 SMB 실험으로부터 얻은 샘플들의 농도를 분석하기 위한 장치로 Waters HPLC 시스템을 사용하였다. Waters 515 HPLC 펌프로 용매를 이송하였으며 샘플들에 대한 농도 분석은 Waters 2414 RI detector에 의해 수행되었다. 아울러 HPLC 농도분석용 컬럼으로는 Bio-rad Aminex HPX-87H 분석용 컬럼(0.78×30cm)을 구입하여 사용하였으며, 농도 분석의 정확성을 높이기 위해 분석용 컬럼 2개를 직렬연결한 후 사용하였다. 샘플의 주입은 Rheodyne 7725i injector를 통하여 수행되었으며 샘플 주입량은 5μL로 하였다. HPLC 분석 시 사용된 mobile phase는 0.01M 황산 수용액이었으며 flow rate는 0.4mL/min로 유지하였다. 아울러 HPLC 농도분석용 컬럼의 온도는 Waters heater column module을 이용하여 65℃로 유지시켰다. Waters HPLC 시스템의 제어는 Empower 2.0 소프트웨어에 의해 수행되었다.

실시예 1: 푸코오스 분리를 위한 흡착제의 선정

1-1. 실험 방법

흡착제 선정을 위한 예비실험의 일환으로 테스트 대상 흡착제가 충진된 1.5×21.7cm의 컬럼을 Young-Lin HPLC 시스템 장치에 설치한 후 단당류 각 단일성분에 대한 펄스주입 실험을 실시하였다. 펄스주입 실험이 진행되는 동안 유량속도는 1mL/min로 일정하게 유지시켰다. 펄스주입에 따른 단당류 각 단일성분에 대한 effluent history(컬럼 출구로 배출되는 stream의 시간에 따른 농도 프로파일) 데이터는 RI(refractive index) detector를 이용하여 실시간 확보하였다. Feed 펄스 내 각 단당류 성분의 농도는 20g/L, feed 펄스 주입량은 200μL로 각각 유지하였다.

1-2. 실험 결과

단당류 성분들 간 분리 가능성이 예상되고 내구성이 검증된 상용 흡착제들에 대한 탐색 결과, 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제군 성능이 가장 우수함을 확인하였다. 단당류 분리에 적용할 수 있는 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제들은 기공크기에 따라 세 가지 종류의 resin들로 구분될 수 있으며 각 resin에 대한 물리적 특성은 표 1에 제시되어 있다. 편의상 이 세 종류의 resin들을 각각 흡착제-a, 흡착제-b, 흡착제-c로 명명한다.

표 1. 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제들의 물리적 특성 비교

상기 표 1에 제시된 바와 같이 후보군으로 선정된 흡착제들의 크기는 모두 75μm 이다. 흡착제 입자 크기 측면에서 볼 때 위의 표 1에 제시된 흡착제들은 모두 large-scale 크로마토그래피 분리공정에 충분히 적용 가능한 수준이라고 할 수 있다. 위 세 종류의 후보 흡착제들 중 푸코오스 분리공정에 가장 적합한 흡착제를 선정하기 위해 21.7cm의 길이와 1.5cm의 지름을 갖는 단일 컬럼에 흡착제 후보군들을 각각 충진 후 펄스주입 실험을 수행하였다. 그리고 그 결과를 도 3에 제시하였다.

도 3은 흡착제 후보군들에 대한 펄스주입 실험의 결과(column dimension: 1.5×21.7cm, flow rate: 1mL/min, injection volume: 0.2mL)를 나타낸 것으로, 도 3a 내지 3c는 각각 (a) 흡착제-a(기공크기=100Å), (b) 흡착제-b(기공크기=250Å), (c) 흡착제-c(기공크기=500Å)을 대상으로 한 실험 결과를 제시하고 있다.

도 3의 펄스주입 실험 결과로부터 rhamnose를 제외한 대부분의 단당류 성분들의 retention time이 푸코오스의 retention time과 상당한 차이를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 이는 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제들이 푸코오스 분리공정의 흡착제로 적합하다는 것을 의미한다. 다만 푸코오스와 가장 근접하게 위치한 rhamnose 성분이 푸코오스의 고순도 분리에 가장 큰 영향을 미치기 때문에 푸코오스와 rhamnose 성분 간의 분리선택도(selectivity)를 조사하여 그 값이 가장 큰 흡착제를 선정하는 것이 타당하다. 푸코오스와 rhamnose 간의 분리선택도(α)를 다음의 식 (4)에 따라 계산하였다.

상기 식에서 t_R2는 푸코오스의 체류시간, t_R1은 rhamnose의 체류시간, t₀는 column void time을 의미한다. 상기 식 (4)에 따른 분리선택도 계산 결과를 표 2에 제시하였다.

표 2. 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제들에 대한 Fucose/Rhamnose 성분 간의 분리선택도(selectivity)

표 2의 결과에 따라 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 resin들 중 100Å의 기공크기를 갖는 resin을 본 발명의 푸코오스 분리 SMB 공정의 흡착제로 선정하였다.

실시예 2: 흡착제의 공극률 측정

2-1. 실험 방법

실시예 1에서 최종 선정된 흡착제(100Å의 기공크기를 갖는 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 resin)의 공극률을 측정하였다. 본 실시예에서는 흡착성이 없는 추적자 분자(tracer molecule)를 상기 흡착제로 충진된 단일 컬럼에 펄스 형태로 주입하는 실험을 수행하였다. 펄스주입 실험의 결과 얻어지는 추적자 분자의 농도프로파일로부터 체류시간을 측정하고 이 데이터로부터 공극률을 계산할 수 있다. 공극률 중 흡착제 입자 간 공극률(bed voidage, )은 blue dextran 물질의 펄스주입 실험(도 4a)을 통하여 결정하였고, 흡착제 입자 내 공극률(particle porosity, )은 urea 물질의 펄스주입 실험의 결과(도 4b)와 앞서 측정한 의 결과를 바탕으로 결정하였다.

도 4는 최종 선정된 흡착제에 대한 추적자 분자(tracer molecule) 펄스주입 실험 결과(column dimension: 2.5×21.7cm, flow rate: 2mL/min, injection volume: 0.2mL)를 나타낸 것으로, 도 4a 및 4b는 각각 (a) Blue dextran, (b) Urea를 의미한다.

2-2. 실험 결과

상기 2-1에 개시된 방법으로 공극률을 측정한 결과, 공극률 중 흡착제 입자 간 공극률(bed voidage, ε_b)은 0.372, 흡착제 입자 내 공극률(particle porosity, ε_p)은 0.654로 측정되었다.

실시예 3: 각 단당류 성분의 intrinsic parameter 측정 - 흡착 계수

3-1. 실험 방법

다중전단분석 실험은 크로마토그래피 컬럼 내에서의 각 성분 흡착 평형 데이터를 얻기 위해 수행하는 실험으로서 컬럼 내로 feed solution을 연속적으로 주입하여 컬럼 내 흡착제상(adsorbent phase)과 액상(liquid phase) 사이에서 평형 관계가 유지되게 하는 방식의 실험이다(J.A. Vente et al., J. Chromatogr. A 1006 (2005) 72-79; Y. Xie et al., Ind. Eng. Chem. Res. 44 (2005) 6816-6823). 이 때 여러 액상 농도에서의 평형 관계를 얻기 위하여 컬럼 내로 주입되는 feed solution의 농도는 계단 형식으로 여러 차례 증가시키는 방식을 취하게 된다.

실시예 1에서 최종 선정된 흡착제로 충진된 컬럼(2.5×21.7cm)을 Young-Lin HPLC 시스템 장치에 장착한 후 상기 설명한 방식의 다중전단분석 실험을 수행하였다. 이 실험에서는 2대의 펌프와 RI detector가 사용되었으며 Autochro-3000 소프트웨어로 장치를 제어하였다. 실험에 사용된 두 대의 펌프 A와 B 중 펌프 A는 DDW의 이송(delivery)을 담당하며 또 다른 펌프 B는 각 단당류 수용액의 이송을 담당한다. 컬럼 내 흡착제상과 액상간의 평형이 이루어질 때까지 단당류 수용액을 컬럼 내부로 계속 주입한다. 평형 상태의 도달 여부는 컬럼 유출액(column effluent)에 대한 concentration plateau 현상의 발생 여부로부터 확인할 수 있다. Concentration plateau의 발생으로 평형 상태의 도달이 확인되면 컬럼 내로 주입되는 단당류 수용액의 농도를 이전 단계보다 더 높여 컬럼 내에서 또 다른 평형 상태가 유지될 수 있도록 한다. 실험에 사용된 각 단당류 성분의 농도는 4g/L, flow rate는 2mL/min로 유지하였다. 컬럼 유출액 내 각 성분의 농도프로파일 데이터는 RI detector에 의한 on-line monitoring 방식으로 수집되었다. DDW와 단당류 수용액의 mixing된 흐름(컬럼에 대한 실질적인 feed solution에 해당됨)이 컬럼에 진입하기 전 완벽한 mixing 상태를 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해 feed solution이 컬럼 진입 직전에 Analytical Scientific Instruments Co.에서 구입한 mixer를 통과하도록 하였다.

3-2. 실험 결과

최종 선정된 흡착제상에서의 각 단당류 성분 흡착계수 결정은 상기 3-1에 개시된 다중전단분석 방식에 의해 이루어졌다. 다중전단분석 실험 진행 시 각 단당류 성분의 농도는 4g/L로 설정하였으며 이 농도는 defatted microalgal biomass의 전처리 후 발생되는 단당류 혼합물 내 각 성분의 실제 농도 범위를 모두 포괄하는 설정치에 해당된다. 아울러 flow rate는 2mL/min로 유지하였다. 사용된 컬럼의 길이와 지름은 각각 21.7cm와 2.5cm이었다. 각 단당류 성분들에 대한 다중전단분석 실험 결과를 도 5에 제시하였다.

도 5a 내지 5g에 나타난 농도 프로파일에서 일정 시간 동안 feed의 농도와 동일하게 유지되는 concentration plateau 영역이 존재함을 볼 수 있다. 이 영역에서는 컬럼 내 고체상(solid phase)과 액상(liquid phase)이 평형을 이루고 있는 영역에 해당되며 이 경우 컬럼 내 모든 위치에서의 액상 농도는 컬럼 내로 주입되는 feed의 농도와 동일하게 유지된다. 이러한 이유로 고-액 평형 데이터에서 액상의 평형 농도는 사실상 조절 가능한 controllable variable의 범주에 속하게 된다. 이 점이 바로 다중전단분석 실험 방법의 장점에 해당된다. 도 5의 결과와 다중전단분석 유도 방정식을 바탕으로 흡착제상에서의 각 단당류 성분의 equilibrium capacity 데이터(q* versus C)를 획득할 수 있었다. 획득된 equilibrium capacity 데이터를 도 6에 나타내었다. 도 6에서 볼 수 있듯이 각 단당류 성분들의 equilibrium capacity(q*) 데이터와 액상 평형농도(C)간에 선형관계(linear relationship)가 형성되고 있다. 이 선형 관계의 기울기(slope)는 각 성분의 retention factor(δ=(ε_pK_e+(1-ε_p)Η))에 해당된다. 도 6에 제시된 (q*, C) 데이터를 바탕으로 각 성분의 retention factor를 산출하였다. 그 결과 푸코오스의 retention factor가 가장 큰 값을 보여주었다. 푸코오스가 단당류 혼합물 내에서 intermediate retention-factor component가 아니라는 점은 추후 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 설계 시 이점(advantage)으로 작용할 것이다. 더불어 푸코오스와 다른 단당류 성분들 간의 retention factor 값 차이도 충분히 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 본 발명에서 채택된 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 resin(기공크기=100Å)이 푸코오스 분리 SMB 공정 개발에 매우 적합한 흡착제라는 사실을 의미한다. 도 6의 retention factor 결과를 바탕으로 각 단당류 성분들의 선형흡착계수(linear isotherm parameter, H)와 size-exclusion factor(K_e)의 값을 산출하였으며 이를 표 3에 제시하였다.

표 3. 폴리디비닐벤젠 계열 소수성 흡착제(기공크기=100Å)상에서의 각 단당류 성분의 retention factor, 선형흡착계수(H), size-exclusion factor(K_e)

실시예 4: 각 단당류 성분의 intrinsic parameter 측정 - 물질 전달 계수

푸코오스 분리 SMB 공정의 설계를 위해서는 각 단당류 성분의 흡착계수뿐만 아니라 물질전달계수의 결정 또한 중요하다. 결정되어야 할 물질전달계수에는 axial dispersion coefficient(E_b), film mass-transfer coefficient(k_f), molecular diffusivity(D_∞), intra-particle diffusivity(D_p) 등이 있다. 이 중 E_b와 k_f는 물질 및 액상과 고체상의 특성은 물론이고 컬럼 내 선속도(linear velocity)에도 영향을 받는 물질전달계수로서 주로 literature correlation을 사용하여 그 값이 결정되며 보고 시에는 어떠한 literature correlation을 사용하였는가를 명시해 주는 것이 일반적인 관례이다. 본 발명에서는 E_b의 경우 Chung and Wen correlation(S.F. Chung et al., AIChE J. 14 (1968) 857-866)을 사용하였고, k_f의 경우 Wilson and Geankoplis correlation(E.J. Wilson et al., Ind. Eng. Chem. Fundam. 5 (1966) 9-14)을 사용하였다. 한편 D_∞와 D_p는 물질 및 액상 고체상의 특성에만 영향을 받고 컬럼 내 선속도와는 무관한 물질전달계수로서 일반적으로 그 값을 보고하는 것이 관례이다. D_∞는 Wilke and Change correlation(C.R. Wilke et al., AIChE J. 1 (1955) 264-270)을 사용하여 그 값을 계산하였다. 반면 D_p는 Mackie and Mears correlation(J.S. Mackie et al., Proc. Roy. Soc. London Ser. A 232 (1955) 498-518)으로부터 그 초기값(initial guess)을 얻고 이 값을 다시 다중전단분석 실험농도 프로파일과 시뮬레이션 결과가 최대한으로 가까이 근접할 수 있도록 보정하였다. 결정된 각 단당류 성분의 D_∞와 D_p의 값을 표 4에 보고하였다.

표 4. 폴리디비닐벤젠 계열 소수성 흡착제(기공크기=100Å)상에서의 각 단당류 성분 물질전달계수

실시예 5: intrinsic parameter의 1차 검증 - computer simulation

실시예 3 및 4에서 결정된 각 단당류 성분의 intrinsic parameter(흡착계수, size-exclusion factor, 물질전달계수)들을 검증하기 위해 이 파라미터 값들이 입력된 컬럼모델 방정식(식 (1))을 기반으로 한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 이 업무는 Aspen Chromatography simulator를 이용하여 수행하였으며 시뮬레이션 조건은 다중전단분석 실험의 조건과 동일하게 유지하였다. 상기 언급한 컴퓨터 시뮬레이션으로부터의 결과와 다중전단분석 실험 데이터와의 비교 결과를 도 5에 제시하였다. 이 도면에서 line은 시뮬레이션 결과를 의미하고 symbol은 실험 데이터를 의미한다. 도 5에서 확인할 수 있듯이 시뮬레이션 결과와 다중전단분석 실험 데이터가 매우 근접하게 일치하고 있다. 이는 시뮬레이션 시 입력된 흡착계수, size-exclusion factor, 물질전달계수 값들이 각 단당류 성분의 컬럼 내 거동(behavior)을 잘 반영시켜주고 있음을 의미한다.

실시예 6: intrinsic parameter의 2차 검증 - 혼합물 주입 전단분석 실험

위의 검증 결과는 단당류의 단일 성분에 대한 시뮬레이션 결과와 실험 데이터와의 비교에 한정되어 수행되었다. 추가적인 검증을 위해 푸코오스를 포함한 단당류 혼합물을 feed로 주입하는 전단분석 실험(이른바 mixture frontal 실험)을 수행하였다(column dimension: 2.5×21.7cm, flow rate: 2mL/min, loading volume: 160mL). 아울러 이 실험 조건에 대응되는 시뮬레이션은 이전 단계에서 결정된 흡착계수, size-exclusion factor, 물질전달계수의 값을 바탕으로 하여 수행되었다. 단당류 혼합물을 대상으로 한 mixture frontal 실험 데이터와 이에 대응되는 시뮬레이션 결과와의 비교를 도 7에 제시하였다. 혼합물 성분들의 개수가 많아 각 성분별로 비교 데이터를 제시하였다. 아울러 xylose, mannose, galactose 성분들의 경우 HPLC 농도분석 시 각 성분별 peak가 겹치고 이들 세 성분의 extinction coefficient(단위 농도 당 HPLC peak 면적)이 거의 동일하기 때문에 이들 세 성분은 개별 분석하는 대신 통합 분석을 실시하였다.

도 7의 비교 결과에서 볼 수 있듯이 단당류 혼합물에 대한 mixture frontal 실험 데이터가 해당 시뮬레이션에 의해 잘 예측되고 있다. 단당류 단일 성분에 대한 다중전단분석 실험 데이터뿐만 아니라 단당류 혼합물에 대한 mixture frontal 실험 데이터 모두 해당 시뮬레이션들에 의해 잘 예측되는 점을 확인할 수 있었다. 이는 앞에서 결정된 흡착계수, size-exclusion factor, 물질전달계수 값들의 적정성(validity)을 나타내는 것이며 더 나아가 이 계수들의 값이 푸코오스 분리 SMB 공정 설계 단계에서 신뢰할만한 기초 데이터로 활용될 수 있음을 의미한다.

실시예 7: 푸코오스 연속 분리를 위한 SMB 공정의 최적설계

상기 표 3 및 표 4에 제시된 푸코오스 포함 각 단당류 성분들의 intrinsic parameter(흡착계수, size-exclusion factor, 물질전달계수) 결과 값을 바탕으로 단당류 혼합물 내 푸코오스의 연속분리를 위한 SMB 공정의 최적 설계를 수행하였다. 이 발명의 첫 단계로서 푸코오스 분리 SMB 공정의 기본 구조 즉 column configuration과 port configuration을 결정해야 한다. 이 단계에서 고려된 사항들은 다음과 같다. 첫째, SMB 공정의 장치 및 관리 비용을 최소화시킬 수 있어야 한다. 둘째, 복잡한 패턴의 operation 방식 대신 단순한 패턴의 operation 방식을 취함으로써 SMB 공정의 operational robustness를 향상시킬 수 있어야 한다. 셋째, 푸코오스의 순도와 수율을 높은 수준으로 유지시킬 수 있는 configuration이 되어야 한다. 넷째, 푸코오스의 product 농도를 높은 수준으로 유지시킬 수 있는 configuration이 되어야 한다. 이 네 가지 고려사항들 중 첫째와 둘째 사항을 만족시킬 수 있는 구조는 3-zone open-loop 구조이며 셋째 사항은 separation zone(feed port를 사이에 둔 인접한 두 개의 zone)의 컬럼 개수를 증가시킴으로써 해결할 수 있다. 마지막으로 넷째 사항은 푸코오스 product에 대한 enrichment zone을 설치함으로써 푸코오스 product의 농도를 높게 유지시킬 수 있다. 표 3에 제시된 바와 같이 푸코오스의 retention factor가 단당류 혼합물 성분들 중 가장 크기 때문에 푸코오스 product는 extract port로 배출되며 이에 따라 extract product에 대한 enrichment zone이 설치되어야 한다.

상기 언급한 4가지 사항들을 모두 만족시킬 수 있는 SMB 공정 구조를 검토한 결과 도 8에 제시한 두 가지 형태의 구조(도 8a는 3-zone open loop with 1-1-2 column configuration, 도 8b는 3-zone open loop with 1-2-1 column configuration)가 가장 적합함을 확인하였다. 두 구조 모두 3-zone open-loop 방식에 기반을 두고 있으며 desorbent→extract→feed→raffinate 순서의 port configuration을 채택하고 있다. 다만 separation zone에 해당되는 zone II와 III 중 어느 zone에 컬럼을 추가로 배치하는 가에 따라 1-1-2 또는 1-2-1의 서로 다른 column configuration을 가지게 된다. 이와 같은 두 가지 SMB 공정 구조(1-1-2, 1-2-1) 각각에 대한 operating parameter(flow rates, port switching time)의 최적화를 수행하였다. 이 최적화는 SMB 생산성 및 경제성에 직결되는 throughput을 극대화시키는 방향으로 진행되었으며 이 과정에서 푸코오스의 순도(purity)와 손실(loss)을 각각 99% 이상과 1% 미만으로 유지시키는 제한조건(constraint)을 설정하였다. 이와 같은 내용을 포함한 푸코오스 분리 SMB 공정의 최적화 frame을 아래에 제시하였다.

위에 제시된 푸코오스 분리 SMB 공정의 operating parameter에 대한 최적화를 위해 NSGA-II-JG 알고리즘(R.B. Kasat et al., Comput. Chem. Eng. 27 (2003) 1785-1800; S. Mun et al., J. Chromatogr. A 1230 (2012) 100-109)에 기반을 둔 SMB 최적화 전산도구를 제작하였다. 제작된 도구를 이용하여 도 8에 제시된 두 가지 형태의 SMB(1-1-2. 1-2-1) 각각에 대한 최적화를 수행하여 그 결과를 표 5에 제시하였다. 표 5에서 볼 수 있듯이 최적 상태에서 1-1-2의 column configuration이 1-2-1에 비해 더 우수한 throughput을 보여주고 있다. 이 결과에 따라 1-1-2를 푸코오스 분리 SMB 공정의 column configuration으로 최종 결정하였다.

푸코오스 분리 SMB 공정 최적화 결과에 대한 이론적 검증을 위해 표 5에 제시된 최적 operating parameter을 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 주기적 정상상태(cyclic steady sate) 하에서의 컬럼 프로파일을 얻었으며 이를 도 9에 제시하였다. 도 9에서 볼 수 있듯이 푸코오스 solute band의 trailing wave와 advancing wave가 zone I과 zone III에 well-confined됨을 확인할 수 있다. 이와 동시에 푸코오스 이외의 모든 단당류 물질의 trailing wave는 zone II에 well-confined되고 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 각 성분들의 SMB 컬럼 내 거동(behaviors)은 푸코오스의 고순도 및 고수율 연속분리를 보장하는 이론적 근거라 할 수 있다. 도 9a 내지 9c는 각각 (a) Beginning of a switching period, (b) Middle of a switching period, (c) End of a switching period이고, Fuc: fucose, Rham: rhamnose, Rib: ribose, Glu: glucose, Xyl: xylose, Mann: mannose, Gal: galactose을 의미한다.

표 5. 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 최적화 결과

실시예 8: SMB 실험

8-1. 실험 방법

푸코오스 연속분리 실험의 첫 단계로서 SMB 장치 내 각 컬럼과 로터리 밸브 및 각 펌프 사이의 연결을 도 2에서와 같이 수행하였다. SMB 실험의 시작은 각 펌프의 작동과 Labview 8.0 소프트웨어의 실행 개시를 기점으로 하였다. 실험 시작과 동시에 feed와 desorbent는 SMB 내로 연속 주입되었다. Feed 용액은 총 7종의 단당류 성분(fucose, rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose)들이 함유된 혼합물 모델용액이었으며 각 성분의 농도는 모두 4g/L이었다. 한편 desorbent로는 DDW가 사용되었다. SMB 실험은 총 100 step(약 38시간)까지 진행되었으며 매 step(switching period)마다 flow rate의 정확성 여부를 체크하고 extract 및 raffinate port에서 배출되는 stream들의 농도를 HPLC 분석시스템으로 실시간 분석하였다.

8-2. 실험 결과

최적설계된 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 실험적 검증을 위해 관련 SMB 공정 실험 장치를 자체 조립 및 제작하였으며 조립 과정은 도 2의 장치 설계도에 따라 진행하였다. 자체 조립 제작된 SMB 실험 장치와 표 5에 제시되었던 최적설계 결과를 바탕으로 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 연속분리실험을 총 100 step(38 시간)까지 진행하였다. SMB 실험 전반에 걸쳐 defatted microalgal biomass 유래 단당류 성분 전체를 포괄할 수 있는 모델용액(model solution)이 feed port로 연속 주입되었다. 아울러 연속 배출되는 extract와 raffinate port 흐름에 대한 collection을 실시하였다. 이 때 발생된 모든 샘플들에 대하여 농도 분석을 수행하였으며 그 결과를 도 10에 제시하였다. 도 10a에서 볼 수 있듯이 푸코오스의 product port(extract port)를 통해 유출되는 흐름 내에서 푸코오스 이외의 다른 성분들의 함량이 매우 적은 수준이었다. 그 결과 97.1%의 푸코오스 순도를 획득하였다. 한편, 도 10b의 실험결과로부터 impurity port(raffinate port)를 통해 손실되는 푸코오스는 전혀 없으며 이 port를 통해 배출되는 성분은 모두 푸코오스 이외의 단당류 성분들임을 확인할 수 있었다. 도 10의 농도 데이터는 각 step별 평균 농도에 해당되고, Fuc: fucose, Rham: rhamnose, Rib: ribose, Glu: glucose, X+M+G: xylose+mannose+galactose를 의미한다.

또한, 도 10의 결과에 이어서 푸코오스의 고순도 및 고수율 분리를 입증할 수 있는 추가적인 실험 데이터를 도 11에 제시하였다. 도 11a는 feed solution에 대한 HPLC analysis chromatogram이며 도 11b와 11c는 각각 최종 step에서 발생된 extract와 raffinate 샘플에 대한 HPLC analysis chromatogram이다. 도 11b에서 볼 수 있듯이 extract 샘플(product)에 대한 HPLC analysis chromatogram에서는 푸코오스 peak만 선명하게 확인되고 반면 rhamnose peak는 아주 미량으로만 검출되고 있고 다른 모든 단당류 peak들은 검출되지 않고 있다. 한편 도 11c의 raffinate 샘플(impurity)에 대한 HPLC analysis chromatogram에서는 푸코오스 이외의 다른 단당류 성분 peak들만 확인되고 반면 푸코오스 peak는 전혀 검출되지 않고 있다.

도 10과 도 11의 결과로부터 본 발명의 목표인 defatted microalgal biomass 유래 단당류 혼합물 내 푸코오스의 고순도 및 고수율 연속분리가 성공적으로 달성되었음을 확인할 수 있었다. 더 나아가 본 발명에서 개발된 푸코오스 분리 SMB 공정에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 SMB 실험 데이터가 잘 일치하고 있는 점 또한 확인할 수 있었다(도 10). 이는 푸코오스 분리 SMB 공정의 최적화 단계에서 적용된 단당류 각 성분들의 intrinsic parameter 값이 적절하다는 것을 의미하며 이 parameter 값들은 추후 산업화 단계에서의 최적설계에도 충분히 활용될 수 있음을 의미한다.

실시예 9: SMB 추가 실험

이전 실시예에서 기술한 SMB 공정의 분리 범위를 보다 더 확대하기 위해 단당류 물질(fucose, rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose) 이외의 추가 성분들(미세조류 활용 후 단당류 물질과 함께 발생 가능한 아미노산 물질과 글리세롤)이 포함된 혼합물을 대상으로 푸코오스의 연속분리 SMB 실험을 수행하였다.

상기 언급한 SMB 실험에 앞서 본 실시예에 적용 가능한 SMB 공정의 설계를 수행하였으며 이 모든 과정은 이전 실시예의 절차 및 접근 방법을 바탕으로 진행되었다. 설계 과정의 첫 단계로서 단당류 물질 이외의 추가 성분들(alanine, glycine, proline, isoleucine, leucine, glycerol)에 대한 다중전단분석 실험을 수행하여 각 성분들의 intrinsic parameter를 결정하였다. 그 결과 isoleucine, leucine 성분의 retention factor가 푸코오스보다 크고, 반면 나머지 성분들의 retention factor들은 모두 푸코오스보다 작았다. 이와 같은 다중전단분석 실험 결과를 바탕으로 푸코오스의 고순도 연속분리와 공정 장치비용 절감 및 process robustness 향상을 위한 SMB 공정의 최적 구조를 탐색한 결과, Ring I과 Ring II의 두 SMB unit를 사용하고 각 SMB unit별로 다음과 같은 column configuration 과 port configuration 방식(도 12)을 채택하는 것이 가장 적절하다는 점을 확인하였다. 우선 Ring I SMB unit에서는 1-1-2의 column configuration과 desorbent→extract→feed→raffinate 순서의 port configuration 방식(도 12a)을 채택하고, 이어서 Ring II SMB unit에서는 1-2-1의 column configuration과 desorbent→feed→raffinate→extract 순서의 port configuration 방식(도 12b)을 채택하는 것이 앞서 언급한 세 가지 조건 모두를 만족시킬 수 있는 방안임을 확인하였다. 이와 같은 SMB configuration 하에서, Ring I unit는 푸코오스로부터 rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose, alanine, glycine, proline, glycerol 성분들을 분리 제거하고 Ring II unit는 푸코오스로부터 isoleucine과 leucine 성분들을 분리 제거하는 역할을 수행하게 된다.

상기 기술한 SMB 공정 구조 및 분리 순서를 바탕으로 푸코오스의 연속분리 실험을 수행하였다. 이 실험에서 Ring I의 feed port로 투입되는 feed 용액은 총 7종의 단당류 성분(fucose, rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose), 총 5종의 아미노산 성분(alanine, glycine, proline, isoleucine, leucine), 글리세롤 성분 등이 함유된 혼합물 모델용액이었으며 각 성분의 농도는 모두 4g/L로 설정하였다. 한편 Ring II unit의 feed port로 투입되는 feed 용액은 fucose, isoleucine, leucine 성분들이 함유된 혼합물 모델용액이었으며 각 성분의 농도는 모두 4g/L로 설정하였다.

Ring I SMB 실험과 Ring II SMB 실험 결과를 도 13과 도 14에 각각 제시하였다. 도 13에서 확인할 수 있듯이 Ring I의 제거 대상 성분들(rhamnose, ribose, xylose, mannose, glucose, galactose, alanine, glycine, proline, glycerol)은 대부분 raffinate port로만 배출되고 있으며, 푸코오스 product가 회수되는 extract port로는 거의 배출되지 않고 있다. 더불어 푸코오스 product 또한 extract port로만 회수되고 raffinate port로는 거의 배출되지 않고 있다. 이와 같은 결과로 인해 Ring I SMB unit에서는 99.2%의 푸코오스 순도(Ring I의 제거 대상 성분을 기준으로 한 순도)를 획득하였고 푸코오스 손실은 0.9%의 미량에 불과하였다. 한편 도 14에서 확인할 수 있듯이 Ring II의 제거 대상 성분들(isoleucine, leucine)은 대부분 extract port로만 배출되고 있으며, 푸코오스 product가 회수되는 raffinate port로는 거의 배출되지 않고 있다. 더불어 푸코오스 product 또한 raffinate port로만 회수되고 extract port로는 거의 배출되지 않고 있다. 이와 같은 결과로 인해 Ring II SMB unit에서는 99.5%의 푸코오스 순도를 획득하였고 푸코오스 손실은 0.5%의 미량에 불과하였다.

위의 Ring I과 Ring II SMB 실험결과로 볼 때 본 발명에서의 푸코오스 분리 방법은 미세조류 활용 후 발생되는 단당류 물질은 물론이고 그 이외의 아미노산 물질과 글리세롤이 모두 포함되는 다성분계 시스템에서도 푸코오스의 고순도 연속분리를 충분히 보장할 수 있음을 알 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (11)

1. 탈착제 포트(Desorbent port, DP)로 탈착제가 유입되는 단계;
   추출물 포트(Extract port, EP)로 푸코오스(fucose)가 회수되는 단계;
   원료물질 포트(Feed port, FP)로 미세조류에서 바이오디젤 원료유 추출 후 생성 폐기잔여물인 미세조류 유래 다성분계 혼합물이 유입되는 단계; 및
   라피네이트 포트(Raffinate port, RP)로 기타 다성분계 물질이 배출되는 단계를 포함하고,
   상기 각각의 포트에 연결되어 있는 다수의 컬럼에서 기공의 크기가 50~900Å인 다공성 폴리디비닐벤젠 계열의 소수성 흡착제를 이용하여 분리되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리방법.
   
2. 제1항에 있어서, 미세조류 유래 다성분계 혼합물은 푸코오스를 포함하는 단당류 성분의 혼합물이고, 상기 기타 다성분계 물질은 푸코오스를 제외한 물질인 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 탈착제는 물, 산 용액 또는 염기성 용액인 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 추출물 포트(EP)로 회수된 푸코오스의 순도는 90%이상인 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리방법.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 푸코오스를 분리하기 위한 하기 수단을 포함하는 SMB 기반 푸코오스 분리장치:
   탈착제 포트(DP);
   추출물 포트(EP);
   원료물질 포트(FP);
   라피네이트 포트(RP);
   상기 포트들(DP, EP, FP, RP)과 각각 선택적으로 연결되는 다수의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40); 및
   상기 다수의 로터리 밸브마다 각각 구비된 다수의 컬럼(100, 200, 300, 400),
   상기 다수의 로터리 밸브는 상호 연결되고 회전 가능하며,
   상기 다수의 로터리 밸브는 각각 다수의 연결 포트(10a, 10b, 10c, 10d)(20a, 20b, 20c, 20d)(30a, 30b, 30c, 30d)(40a, 40b, 40c, 40d)가 구비되며,
   상기 다수의 로터리 밸브가 회전함에 따라, 상기 다수의 연결 포트 중 어느 하나만 개방되고, 이에 따라 상기 포트들(DP, EP, FP, RP) 각각에 선택적으로 연결되는 어느 하나의 로터리 밸브가 변경되는 것을 특징으로 함.
   
6. 삭제
7. 제5항에 있어서, 상기 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)는 회전에 따라 제1단계 포트 위치, 제2단계 포트 위치, 제3단계 포트 위치, 제4단계 포트 위치를 순환하도록 연속적으로 변경되고,
   상기 제1단계 포트 위치에서 제1연결 포트(10a, 20a, 30a)가 개방되고,
   상기 제2단계 포트 위치에서 제2연결 포트(20b, 30b, 40b)가 개방되며,
   상기 제3단계 포트 위치에서 제3연결 포트(30c, 40c, 10c)가 개방되고,
   상기 제4단계 포트 위치에서 제4연결 포트(40d, 10d, 20d)가 개방되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리장치.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 제1단계 포트 위치에서는
   상기 탈착제 포트(DP)가 제1로타리 밸브(10)의 제1연결 포트(10a)를 통해 제1컬럼(100)과 유체 소통되고,
   상기 추출물 포트(EP)는 제2로타리 밸브(20)의 제2연결 포트(20a)를 통해 제1컬럼(100)과 유체 소통되며,
   상기 원료물질 포트(FP)는 제3로타리 밸브(30)의 제3연결 포트(30a)를 통해 제3컬럼(300) 및 제4컬럼(400)과 유체 소통되고,
   상기 제4컬럼(400)은 제1로타리 밸브(10)의 제1연결 포트(10a)를 통하여 라피네이트 포트(RP)와 유체 소통되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리장치.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 제1단계 포트 위치에서 원료물질 포트(FP)를 통하여 유입된 원료물질은 상기 제3컬럼(300) 및 제4컬럼(400)을 통과함에 따라 푸코오스와 기타 다성분계 물질로 분리되고,
   상기 제1단계 포트 위치에서 분리된 푸코오스는 포트 위치의 순차적 변경에 따른 포트 이동방향과 반대방향으로 시프트(shift) 되어 궁극적으로 제2로타리 밸브(20)로 유입되어 추출물 포트(EP)로 유출되며,
   상기 제1단계 포트 위치에서 분리된 기타 다성분계 물질은 제1로타리 밸브(10)로 유입되어 라피네이트 포트(RP)로 유출되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리장치.
   
10. 제9항에 있어서, 상기 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)가 제1단계 포트 위치에서 제2단계 포트 위치로 회전되면, 상기 원료물질 포트(FP)를 통하여 유입된 원료물질은 제4컬럼(400) 및 제1컬럼(100)을 통과함에 따라 푸코오스와 기타 다성분계 물질로 분리되고,
    상기 제2단계 포트 위치에서 분리된 푸코오스는 포트 위치의 순차적 변경에 따른 포트 이동방향과 반대방향으로 시프트(shift) 되어 궁극적으로 제3로타리 밸브(30)로 유입되어 추출물 포트로(EP) 유출되며,
    상기 제2단계 포트 위치에서 분리된 기타 다성분계 물질은 제2로타리 밸브(20)로 유입되어 라피네이트 포트(RP)로 유출되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리장치.
    
11. 제5항에 있어서, 상기 다수의 로터리 밸브(10, 20, 30, 40)는 소정의 시간 간격(port switching time)마다 회전함으로써 제1~4단계 포트 위치에서 교번적으로 변경되며, 이 때 포트 위치 변경을 위해 로터리 밸브가 회전하는 시점 사이의 시간 간격은 푸코오스 성분과 상기 기타 다성분계 물질이 각각 추출물 포트(EP)와 라피네이트 포트(RP)로 배출될 수 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 SMB 기반 푸코오스 분리장치.

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